Föld körüli pálya

A Föld pályája az a pálya, amelyet a Föld körül keringő tárgy követ . Az űrkorszak kezdete (1957) óta több ezer műhold került pályára bolygónk körül. Az űrhajók pályáinak különböző tulajdonságai vannak annak érdekében, hogy teljesítsék küldetésük céljait. Az űrtevékenységből származó, bármilyen méretű űrhulladék milliói szintén a Föld körül keringenek. Az ember alkotta tárgyak mellett a Föld körül keringő természetes tárgy, a Hold .

A Föld körüli műhold keringési paraméterei

A Föld körüli műhold elliptikus pályáját két sík - a pálya síkja ( pályasík ) és az egyenlítői sík (a sík, amely áthalad a Föld egyenlítőjén ) - és hat paraméter (az elemek ): az emelkedő csomópont féltengelye , excentricitása , dőlése , hosszúsága , a perigee argumentum és az objektum pályáján elfoglalt helye. E paraméterek közül kettő - az excentricitás és a féltengely - meghatározza a pályát egy síkban, három másik - a dőlésszög, a felemelkedő csomópont hosszúsága és a pericentrum argumentuma - meghatározza a sík orientációját az űrben és az átjutás utolsó pillanatát pericentrumban - meghatározza az objektum helyzetét.

• A műhold ellipszisen halad (a körpálya az ellipszis speciális esete. A fél-fő tengely nál nél{\ displaystyle a} a perigee (az ellipszis mélypontja) és az apogee ( az ellipszis csúcsa) közötti távolság fele . 'Ellipszis ) Ez a paraméter meghatározza a pálya abszolút méretét.
• Excentrikusság e{\ displaystyle e}  : az ellipszis azoknak a pontoknak a helye, amelyeknek két rögzített ponthoz, a fókusszal (ésa diagramon) való távolságának összege állandó. Az excentricitás méri a gócok eltolódását az ellipszis közepétől (a diagramon); ez a középső fókusztávolság és a fél-fő tengely aránya. A pálya típusa az excentricitástól függ: S{\ displaystyle S}S′{\ displaystyle S '}VS{\ displaystyle C}
  • e=0{\ displaystyle e = 0} : körpálya
  • 0<e<1{\ displaystyle 0 <e <1} : elliptikus pálya
  • e=1{\ displaystyle e = 1} : parabolikus pálya: a műhold nem marad a pályán, és visszaesik a Földre.
  • e>1{\ displaystyle e> 1} : hiperbolikus pálya: a műhold elhagyja a földi pályát és egy heliocentrikus pályára helyezi magát.

• A Föld körüli műhold pályájának paraméterei

• Mesterséges műhold keringési paraméterei: a felemelkedő csomópont jobb felemelkedése ☊, i dőlés, ω perigé argumentum.

• Az orbitális síkra merőleges nézet: a féltengely, az ω perigee argumentuma, ν valós anomália.

A referenciasík vagy referenciasík földi pályára áll, és az Egyenlítőn áthaladó sík körül kering. A referenciasík és a pályasík tehát két metsző sík. Kereszteződésük egyenes, amelyet csomópontoknak nevezünk. A pálya két pontban metszi a referenciasíkot, úgynevezett csomópontokat. Az emelkedő csomópont az, amelyen keresztül a test felmenő pályán halad át; a másik a leszálló csomópont.

Az orbitális sík és a referenciasík közötti áthaladást három elem írja le, amelyek megfelelnek az Euler-szögeknek  :

• A dőlés , megjegyezte , amely megfelel a nutáció szög  : a dőlésszög (0 és 180  fok) az a szög által az orbitális síkban átmenő sík az egyenlítő. én{\ displaystyle i}
  • 90 ° a műhold repül a pólusok felett. A 0 ° közeli dőlésszögű pályák poláris pályák . A nap szinkron pályája a poláris pálya egyik altípusa.
  • 0 °: a műhold állandóan az Egyenlítő felett van. A 0 ° közeli hajlású pályák kvázi-ekvatoriális pályák .
• A felemelkedő csomópont hosszúsága, amelyet noted jelez, amely megfelel a precessziós szögnek  : ez a tavaszi pont iránya és a csomópontok közötti szög az ekliptika síkjában. A tavaszi pont iránya a Napot és a tavaszi pontot összekötő egyenes (csillagászati ​​vonatkozási pont, amely megfelel a Nap helyzetének a tavaszi napéjegyenlőség idején ). A csomópontok vonala az a vonal, amelyhez a felemelkedő csomópontok (a pálya azon pontja, ahol a tárgy az Egyenlítői síktól északra halad) és az ereszkedő (az a pálya azon pontja, ahová az objektum tőle délre halad) tartozik. Ez).
  • Egyenlítői pályák (nulla pálya dőlés) esetén ennek a paraméternek nincs jelentése. Megállapodás alapján 0-ra értékelik.
• A perigee észrevétele a csomópontok egyenesének által alkotott szög és a perigee iránya (a Földön áthaladó vonal és a pálya perigeje) a pályasíkban. A perigee hosszúsága a felemelkedő csomópont hosszúságának és a perigee argumentumának összege. ω{\ displaystyle \ omega}
  • A 0 ° -os perigé érv azt jelenti, hogy a műhold a legközelebb van a Földhöz, ugyanakkor átkel az egyenlítői síkon délről északra.
  • A 90 ° perigee érv azt jelzi, hogy a perigee akkor érhető el, amikor a test a legnagyobb távolságban van az egyenlítői sík felett.

A hatodik paraméter a keringő test pozíciója a pályáján egy adott időpontban. Meg kell tudni határozni a jövőben. Többféleképpen is kifejezhető:

• Azonnali τ átjutás a perigee-be .
• Az objektum átlagos anomáliája M egy hagyományos pillanatban ( a pálya korszaka ). Az átlagos anomália nem fizikai szög, hanem a pálya felületének azon részét határozza meg, amelyet a fókuszt az objektumhoz a perigénél való utolsó áthaladása óta összekötő vonal söpör formában kifejez. Például, ha a fókuszt az objektummal összekötő vonal a pályafelület egynegyedét bejárta, az átlagos anomália ° °. Az objektum átlagos hosszúsága a perigee hosszúságának és az átlagos anomáliának az összege.0,25×360{\ displaystyle 0,25-szer 360-szor}=90{\ displaystyle = 90}
• Az igazi rendellenesség .
• A szélességi argumentum.

Az orbitális paraméterek ábrázolása

A paraméterek orbitális tárgyak a Föld körüli pályán vannak ábrázolva szabvány Orbital paraméterek két vonal (angolul Két-Line Elements vagy TLE). A NORAD és a NASA nem csak a mesterséges műholdak , hanem a LEO-ban 10 centiméternél nagyobb és a geostacionárius pályán 1 méternél nagyobb űrhulladékok esetében is katalógusa van ezekről a paraméterekről (ebben a méretben a törmelékeket a sebességmérő kamerák nem követhetik külön-külön). A katalógusban szereplő adatok lehetővé teszik a pályán lévő objektumok helyzetének kiszámítását bármikor. A sok zavarnak, amelyeknek ki vannak téve ( a Hold és a Nap vonzerejének hatása , légköri fékezés , napszél , fotonnyomás stb., Valamint a keringési manőverek miatt) , ezeket a paramétereket azonban rendszeresen frissíteni kell, és ezek nem csak érvényesek. korlátozott ideig.

A katalógusban kezelt paraméterek a következők:

• A mérés ideje (az év utolsó két számjegye) 21
• A mérés idejének korszaka (az év napja és a nap tört része) 264.51782528
• Az átlagos mozgás első deriváltja osztva 2 6 - -val, 00002182
• Az átlagos mozgás második deriváltja elosztva 6-val (a tizedesjegy után) 00000-0
• BSTAR húzási együttható, például 7
• Orbitális dőlés, pl. 51,6416 °
• Az emelkedő csomópont hosszúsága, például 247,4627 °
• Excentrikusság pl. 0,0006703
• Periapszis-argumentum például 130,5360 °
• Átlagos rendellenesség például 325,0288 °
• Napi fordulatok száma, például 15,72125391
• Az adott időpontban végrehajtott fordulatok száma, például 56 353

A pályán lévő objektumok katalógusa

A katalógus 2019 közepén mintegy 44 000 objektumot, köztük 8 558 műholdat tartalmazott, 1957 óta indított útján. 17 480 készüléket rendszeresen figyelemmel kísérnek. 2019 januárjában az Európai Űrügynökség becslései szerint az amerikai szervezet 34 000 űrhulladékot tudott nyomon követni. Több millió kisebb törmeléket nem sorolnak fel.

Ebben a katalógusban minden pályán lévő objektumnak két azonosítója van hozzárendelve a műhold indításához vagy új törmelék megjelenésekor: a COSPAR és a NORAD azonosító . A COSPAR azonosító egy nemzetközi azonosító, amelyet minden pályára helyezett, független pályával rendelkező objektumhoz rendelnek. Felépítése a következő: az indulás éve, az indítás rendelési száma, betű, amely lehetővé teszi a különböző indított műholdak megkülönböztetését. A 2021-05C tehát kijelöli az év ötödik indítása során 2021-ben pályára állított műholdat, amely legalább három műholdat tartalmazott (mivel C betűt jelölnek). A NORAD azonosító egy sorszám, amelyet az amerikai szervezet az űrszemét elindításakor vagy észlelésekor rendel hozzá.

Forradalmi időszak

A Föld körüli műhold forradalmi periódusa (keringési periódus) az az idő, amely a Föld körüli teljes forradalom befejezéséhez szükséges. Értéke a Föld és a műhold távolságával gyengül. 200 perc magasságban alacsony pályán 90 perctől geostacionárius pályán 23 óra 56 percig tart. Ezen az utolsó pályán egybeesik a Föld forradalmi időszakával. A műhold ezért állandóan ugyanazon földi régió felett marad. A Hold keringési ideje 27,27 nap.

Orbitális sebesség

A Föld körüli keringési sebesség annál kisebb, mivel a pálya miatt a műhold jelentős távolságra eltávolodik a Földtől. Kör alakú földpályán ez a sebesség 7,9 km / s 200 km-nél és 3,1 km / s a ​​geostacionárius pálya szintjén. A Hold olyan orbitális sebességgel halad, amely 0,97 és 1,08 km / s között ingadozik, mert kissé elliptikus. Sőt, ha a pálya ellipszis, a sebesség változik az pályáján: ez éri el maximumát földközelben , és a minimumát a tetőpont . Így egy Molnia pályáján elhelyezett műhold, amelynek perigéje a Föld felszínétől 500 kilométerre, apogeuma pedig 39 900 kilométeren helyezkedik el, látja, hogy sebessége a Föld közelében lévő 10 km / s-ról a csúcspontján 1,5 km / s-ra növekszik.

A Föld pályák osztályozása

Magasság szerinti osztályozás

• Orbit alacsony Föld  : Low Earth Orbit, vagy LEO ( Low Earth Orbit in English ) egy Föld körüli pályára a terület akár 2000 km magasságban. Vannak Föld-megfigyelő műholdak (meteorológia, klímatanulmányok, katasztrófavédelem, termésfigyelés, okeanográfia, geodézia stb.), Bizonyos telekommunikációs műholdak, valamint űrhajók szállító csapatok, valamint űrállomások , beleértve a Nemzetközi Űrállomást is . Ez egy kiemelkedő fontosságú pálya az űr alkalmazások számára. Ez a legsűrűbben elfoglalt hely, és a műholdas üzemeltetőknek meg kell küzdeniük az űrhulladékok elszaporodásával és az ütközés kockázatával. 90 kilométer alatt a légkör túl sűrű ahhoz, hogy egy űrhajót a meghajtás segítségével is pályán tarthasson. 400 kilométer alatt a maradék légkör néhány óra múlva (a legalacsonyabb magasságoknál) néhány év múlva az űrhajó légköri visszatérését okozza.

• Közepes földi pálya  : A közepes földi pálya vagy a MEO ( közepes földi pálya) a Föld körüli térterület 2000 és 35 786 km közötti magasság között, vagy a föld pályája felett alacsony és geostacionárius pálya alatt található.

• Geoszinkron  pálya: A geoszinkron pálya, rövidítve GEO ( Geosynchronous Orbit ) olyan pálya, amelyben egy műhold a bolygóval azonos irányban mozog (nyugatról keletre a Föld számára), és amelynek keringési periódusa megegyezik a sziderális forgás periódusával (kb. 23 óra 56 perc, 4,1 s). Ennek a pályának féltengelye körülbelül 42 200 km.

• Magas pálya Föld  : A magas Föld pálya, vagy a HEO ( High Earth Orbit ) olyan földi pálya, amelynek apogeája a geoszinkron pálya felett helyezkedik el, vagy kb.

Besorolás hajlás szerint

A ferde pálya az egyenlítői síkhoz képest ferde pálya .

• Poláris pálya  : A sarki pályán lévő műhold minden egyes fordulattal egy bolygó (vagy más égitest) pólusai felett repül . Nagy hajlású, 90 fok közelében elhelyezkedő csillag körül forog, ami érdekesvé teszi a Föld megfigyelését. Magassága, általában meglehetősen alacsony, körülbelül 700 kilométer.

• Nap-szinkron  pálya: A Nap-szinkron pálya olyan pályát jelöl, amelynek magasságát és dőlését úgy választják meg, hogy a síkja és a Nap iránya közötti szög megközelítőleg állandó maradjon. Egy ilyen pályára helyezett műhold ugyanabban a helyi napidõben halad át a föld felszínének egy adott pontján.

Besorolás különc szerint

• Körpálya  : olyan pálya, amelynek excentricitása nulla. A perigee megegyezik az apogee-vel .
• Elliptikus pálya
  • A Hohmann pályája egy olyan pálya, amely lehetővé teszi, hogy az egyik körpályáról a másikra ugyanabban a síkban elhelyezkedő körpályára menjen, csak két impulzus manőver segítségével. Két manőverre szorítkozva ez a pálya az, amelyik eléréséhez a legkevesebb energiát fogyasztja.
  • A geostacionárius transzferpálya egy elliptikus pálya, amelyet egy műhold geostacionárius pályára történő átvitelére használnak. Az apogee 35 786 km (a geostacionárius pálya magassága) magasságban helyezkedik el, míg a perigee általában 200 km.
  • A Molniya pálya egy erősen elliptikus pálya osztálya, amely az Egyenlítő síkjához képest 63,4 ° -kal dőlt és 12 órás periódus. Csúcsa közel 40 000 km, perigéje pedig közel 1000 km. Az ezen a pályán elhelyezett műhold idejének nagy részét a sarki területek felett tölti. Kiegészíti a geostacionárius pályán lévő műholdak lefedettségét, amelyeket ezeken a régiókon nem fogadnak. Először a szovjetek hajtották végre, amelynek területének nagy része nagy szélességi fokon helyezkedik el.
  • A tundra pálya egy nagyon elliptikus geoszinkron pálya, amelynek időtartama 24 óra. Ez a Molnia pályájához kapcsolódik, amelynek időtartama 12 óra. Bizonyos telekommunikációs műholdak a geostacionárius pálya által rosszul kiszolgált területek, különösen az oszlopok lefedésére használták. Ezt a pályát a szovjetek is használták először.

Prográd vagy retrográd pálya

Amikor a műhold a Földével azonos forgási mozgással forog a Föld körül (az Északi-sarkról nézve az óramutató járásával megegyező irányba), pályája állítólag progresszív . A műholdak túlnyomó része progresszív pályára kerül, mert ez lehetővé teszi a Föld forgási sebességének előnyeit (0,46 km / s az Egyenlítőnél). Kivételt képeznek az izraeli műholdak, amelyek nem indíthatók nyugatra (= a Föld forgásának irányába), mert a hordozórakéta a lakott föld felett repülne. Retrográd pályán keringenek.

Beszúrás a Föld pályájára

Ahhoz, hogy egy űrjárművet földi pályára helyezhessenek, minimális sebességet kell közölni vele. Ez a minimális keringési sebesség körülbelül 7,9 km / s egy 200 km magasságú körpályán lévő műhold esetében (ez vízszintes sebesség, egy objektum, amely vertikálisan, vagy ennél nagyobb sebességgel indult, a Földre esne vissza).

Ha a vízszintes sebesség kevesebb, mint 7,9 km / s, a gép a Földre való visszatérés előtt a sebességtől függően változó hosszúságú parabolt ír le . Ha a sebesség nagyobb, mint a felszabadulás sebessége (11,2 km / s vagy 40 320 km / h), akkor a pályája hiperbolát ír le, és elhagyja a Föld pályáját, hogy heliocentrikus pályára helyezze (a Nap körül ).

Pálya hanyatlás

Egy műhold élettartama alacsony pályán

Magasság	Élettartam
200 km	Néhány nap
250 km	~ 60 nap
300 km	~ 220 nap
500 km	Néhány év
1000 km	Több évszázad (indikatív)
1500 km	10 000 év (tájékoztató jellegű)

A Föld körüli műhold keringése nem stabil. Olyan erőkön megy keresztül, amelyek fokozatosan módosítják. Különösen alacsony földi pályán a maradék atmoszféra, bár nagyon vékony, az űrjárműre úgy hat, hogy két komponensből álló aerodinamikai erőt generál : a sebességvektorra merőleges emelőt , amelynek értéke elhanyagolható mindaddig, amíg a sűrű elérik a légkört (kb. 200 km vagy annál alacsonyabb magasságban), és az ellenállást, amely csökkenti a sebességet, és ezáltal a magasság csökkenését okozza. A vonóerő értéke növekszik, ha a magasság csökken, mivel a légkör sűrűbbé válik. Ha a nap aktivitása intenzívebb, akkor a légköri sűrűség nagy magasságban megnő, ami növeli az ellenállást. Végül az ellenállás az űrhajó ballisztikus együtthatójától is függ , vagyis a metszetének az elmozdulás irányában megjelenő arányától és tömegétől. Ezen erő miatt egy 200 kilométeres magasságban utazó űrhajó csak néhány napig tartózkodik a pályán, mielőtt behatolna a légkör vastag rétegeibe és megsemmisülne (vagy leszállna, ha magas hőmérsékleten való túlélésre tervezték). Ha 1500 kilométeres magasságban utazik, akkor ez az esemény csak körülbelül 10 000 év után következik be (lásd a táblázatot).

Amikor a műhold tengerszint feletti magassága miatt behatol a légkör sűrűbb rétegeibe, a 8 km / s nagyságrendű sebesség miatt az ellenállás által termelt hő eléri a több ezer fokot. Ha az űrhajót nem úgy tervezték, hogy túlélje légköri visszatérését, akkor ég, miközben több darabra törik, amelyek egy része a földre is eljuthat. Mivel a légköri húzza, a legalacsonyabb magasság fölött a Föld , amelynél egy tárgyat körpályán tehet legalább egy teljes fordulatot anélkül meghajtási körülbelül 150  km-re , míg a legalacsonyabb földközel egy elliptikus pályája mintegy 90  km-re .

Talajnyom

A földi pálya egy mesterséges műhold képzeletbeli vonal alkotja a pontok találhatók függőleges amely átmegy a központja a Föld és a műhold. A nyom lehetővé teszi a műhold földi láthatóságának helyeinek meghatározását, és fordítva, a műhold által lefedett felület részeinek meghatározását. Jellemzőit a pálya paraméterei határozzák meg. A műhold által teljesített küldetés céljai, a műholddal kommunikáló földi állomások helyzete segít rögzíteni a földi pálya alakját, ezért cserébe megtartják a pálya paramétereit.

Összegzés: magasság, energia, periódus és a pálya sebessége

Indítsa el a történelmet

Pálya típusa	Magasság a felszín felett	Távolság a föld közepétől	Orbitális sebesség	Orbitális periódus	Orbitális energia
A Föld felszíne (referenciaként: ez nem pálya)	0 km	6,378 km	465 m / s (1674 km / h)	23:56 perc 4,09 s.	-62,6 Mj / kg
Pálya felszíni szinten (elméleti)	0 km	6,378 km	7,9 km / s (28 440 km / h)	1h24 perc 18s.	-31,2 Mj / kg
Alacsony pálya	200–2000 km km	6600-8400 km	7,8-6,9 km / s	1h29min - 2h8min	-29,8 Mj / kg
Geostacionárius pálya	35,786 km	42 000 km	3,1 km / s	23h56m. 4s.	-4,6 Mj / kg
A Hold pályája	357 000 - 399 000 km	363 000 - 406 000 km	0,97-1,08 km / s	27,27 nap	-0,5 Mj / kg
Molnia Orbit	500–39 900 km	6 900–46 300 km	0,97-1,08 km / s	11h58m.	-4,7 Mj / kg

Megjegyzések és hivatkozások

1. (fr) Luc Duriez, „Két test felülvizsgálata”, Daniel Benest és Claude Froeschle (szerk.), Az égi mechanika modern módszerei , Gif-sur-Yvette, Frontières, 2. kiadás, 1992, p. 18 ( ISBN  2-86332-091-2 )
2. (in) TS Kelso, "  SATCAT Boxscore  " , CelesTrak (hozzáférés: 2019. június 23. )
3. (in) TS Kelso, "  TLE History Statistics  " , CelesTrak (hozzáférés: 2019. június 23. )
4. (in) "  Az űrhulladék a számok által  " , ESA ,2019 január
5. Űrmechanika - B - Orbitális zavarok - 3. fejezet - légköri fékezés - élettartam , p.  123-128

Bibliográfia

• en) Robert Guiziou, Űrmechanikai tanfolyam (DESS az űrtechnikában) , A MEDITERRÁN EGYETEM - AIX-MARSEILLE II,2000, 184  p. ( online olvasás )
• Michel Capderou, a Kepler műholdak a GPS-hez , a Springer,2012( ISBN  978-2-287-99049-6 )

Lásd is

Kapcsolódó cikkek

• Pálya
• Minimális keringési sebesség , elengedési sebesség
• Talajnyom
• Kétsoros orbitális paraméterek
• Pálya hanyatlás
• Szuborbitális repülés
• Hold
• Mesterséges műhold
• Űrtörmelék

Külső linkek

<img src="https://fr.wikipedia.org/wiki/Special:CentralAutoLogin/start?type=1x1" alt="" title="" width="1" height="1" style="border: none; position: absolute;">